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微动损伤及其防护卫中山汉胜工业设备(上海)有限公司摘要：介绍了微动的危害及其损伤机理，分析了微动损伤的影响因素以及防护方法，综述了采用表面技术提高金属材料微动损伤抗力的研究与应用。关键词：微动损伤；微动图；表面技术微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小的相对运动(位移幅度一般为微米量级)，这些接触表面名义上是静止的，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中。微动不仅可以导致表面磨损，引起配合面咬合、松动、电阻增加、噪声或环境污染等，还会加速裂纹的萌生和扩展，使工件的疲劳寿命大大降低。3 j。微动作用通常使材料的疲劳极限降低2 0 5 0，有时甚至降低得更多HJ。微动破坏过程中，微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀都有可能发生，当某一损伤形式占主导地位时，最终便表现为这一损伤失效模式。这样，随着微动条件的变化，微动失效模式的变换也是可能的。1微动实例微动损伤现象普遍存在于各类紧配合构件中，代表性的场合有：(1)铆钉、螺纹和销轴连接件。如铆钉头与板之间、两块被铆板之间、铆钉侧面和板孔之间都是容易发生微动损伤的位置。(2)榫槽和花键配合。(3)过盈配合。热套配合和压配合的配合面，轴承和轴承座之间、轴瓦和座孔之间的过盈配合面等，名义上是静止的，但在交变载荷下，都可能产生微动，出现微动损伤。(4)紧固和夹持机构。如斜拉钢索在夹持器边缘产生的微动磨损和微动疲劳。(5)振动环境中的零件。如高空电缆及其悬挂机构、钢丝绳、汽车板簧、运输中的滚动轴承和金属板卷等。(1 8 8 2 微动损伤理论周仲荣5 1 等基于球平面接触微动磨损实验结果，提出了“运行工况微动图”来描述微动接触区相对运动状况，“材料响应微动图”来描述与运行工况微动图相对应的材料损伤形式，如图l 所示。这两个图的边界不一定完全重合。从图1(a)可看出，在极小的位移或较大的接触应力下，微动过程处于部分滑移区，接触表面间的运动靠表面层的弹性变形来实现；反之，微动过程处于滑移区；混合区介于二者之间。图l(b)显示，材料的磨损主要发生荟R厦燃冬R厦燃位移，斗ma 运行工况微动图位移p mb 材料响应微动图圈1 微动图(2 0 9 1 铝合金)-机械与密封在微动的滑移区在吾|i 分滑移医的微动破坏比较轻微；由微动引起的裂纹优先在混台区萌生并随着循环次数的增加迅速向滑移区和部分滑移区扩展。因此，混台区是馓裂纹起源和扩展最危险的区域；因此采用表面工程技术强化表面、改善摩擦条件使傲动尽量位于部分滑移区，是减疆微动损伤的常用方 击这方面的研究十分括跃。n 中山“使用图2 所示的装置研究了T C A 钛合金的微动疲劳固3 是微动区的表面形貌可眦看到疲势裂纹首先在徽动区萌生，然后沿近似垂直于循环应力的方向扩展。微动带来的磨损、接触疲劳、塑性变形等玻坏因素破坏了材料表面的完整性造成了应力集中，有利于疲劳裂纹的萌生和扩展7；因此在存在徽动时材料的疲劳寿命会大大降低，目3 撖动E 的裹靛C T e A#台盒l3 微动损伤防护技术影响馓动的因素很多除受激动运行参数影响机械与密封外，还与环境，应用要求等密切相关闻此可以采取I I 勺减埋徽动损伤的方法也很多要具体情况具体分析，在不同场合F 采取的措旌甚毫可能是相反的，主要从阴个方而考虑防护措施：(1)消除或蛾少振动；(2)改进结构设计或服役条件，降低接触界面间的相对运动幅度，使嗽动尽量运行干部分滑移状态：(3)使用润滑剂降低摩擦力；(4)采用表面工程技术提高材料的表面强度，降低摩擦系数。下面着重介绍表面工程技术在微动损伤肺护方露的应用。3 1 表面机械强化喷丸、旋片拍打和冷挤压等表面机械强化处理工艺简单、散果好，巳在生产实际中广泛应用，是公认的提高金属材料傲动损伤抗力最有效的方法。喷丸处理可使微动疲劳寿命成倍提高。在喷丸强化三要索(表面加工硬化、残余压应力0【、表面粗糙度增大)中表屡残余压应力的引人是最为重要的因素，而表面加工硬化的作用处于次要地位“，但是，此类表面处理上艺处理后的工件若在高温场台使用可能退火而失去冷作硬化的效果。工件在服役过程中产生的疲劳软化现象导致残泉垭应力逐渐橙弛也会降低加工硬化的效果。32 表面热赴理各种表面热处理技术如表耐淬火洛氮溶碳、等高于氰化等以及激光氮化、离子渗金属等新技术也被用来减缓材料的徽动损伤；C a a o n”等研究丁誊氯层的微动性能发现其表面损伤程度随表晰机械强度的提高嗬降低，特别是残余压应力和较高的埘服强度降低r 表而承受的有效载荷使裂纹形桉时间延长扩展速率降低，因而磨损减少，激动疲劳寿命大大提高。33 表面浍层和镀腱金属涂层分为硬金属涞层和戟金属潦层，二者均可用来改善材料的抗微动损伤性能。软金属的届服强度和势切强度低在微动作用下反复地剪开和愈合辩徽动限制在潦层巾锞护了基体表面。钍台金上爆炸喷潦C u N i l n 软金属埭层萁微动疲劳强度为常规疲劳强度的6 3 而柬喷擦的钛台金仅为4 8。软金属涂层主要用于减磨不宜用于各种夹压联结件。硬金属踩层在减轻微动磨损方蘑有一定效果但潦层一般产生张应力不宜用于改善材料的微动疲劳性能。非金属涂层也有软、硬之分。软质非金属涂层主要指固体润滑剂涂层及有机涂层，其特点是柔韧性好，摩擦系数小。有机涂层具有良好的润滑、减摩效果，可以用来提高金属材料的微动疲劳性能，如聚四氟乙烯(P T F E)涂层使钛合金微动疲劳强度提高了4 0 L 1 0 。有机粘结M o S，、石墨等固体润滑剂用于钛合金叶片榫头的微动疲劳防护是航空发动机工业广泛采用的方法，在其使用温度范围内能有效地提高钛合金的微动疲劳性能。针对铁路机车柴油机连杆与连杆盖齿型配合面上经常出现的齿根裂纹问题，在配合面上喷涂粘结M o S：涂层，有效提高了抗微动磨损性能，使用效果良好。硬质非金属涂层主要是一些陶瓷类涂层，如等离子喷涂陶瓷粉末涂层、离子镀硬质膜、溅射陶瓷涂层及类金刚石膜等。磁控溅射T i C、T i B，等膜层对金属材料的抗微动损伤也有较好的效果。电镀、化学镀、电刷镀等工艺的膜基结合强度较低，并有氢脆隐患、降低常规疲劳强度、环境污染等问题，一般不宜使用。3 4 高能束表面处理激光淬火可以细化金属材料的表层组织，提高表面硬度，降低摩擦系数，还在改性层形成残余压应力，故能有效减缓微动损伤。张明川的研究表明，激光扫描表面处理使T C 4 钛合金的微动疲劳寿命比未处理试样提高了3 5。金属蒸汽真空弧离子源离子注入是上世纪末发展起来的新技术，可以根据工艺需要引出各种强流金属离子束，不仅能在材料表面产生间隙原子、空穴、位错等辐照损伤、增强扩散、超饱和固溶体等效应，还具有表面自润滑和表面抛光作用。2 1 0 c m 2 剂量的M o 离子注入T C 4 钛合金，可使其微动磨损体积比未处理试样减少4 3 引。3 5 复合表面技术微动的特点是既有接触条件下的微动磨损作用，又承受疲劳载荷，减缓其破坏的难点在于抗磨损和提高疲劳强度的措施往往是互相矛盾的。在既要抗磨又要提高疲劳强度时，可考虑复合处理。例如，在合金表面制备C r N、C u N i l n 膜层，然后进行喷丸处理，其效果优于单一喷丸者。单纯渗氮处理有损于钛合金的微动疲劳抗力，但以喷丸强化为其后处理(1 9 0 时，则可达到联合提高合金微动疲劳抗力的目的。这是由于渗氮层有良好的减摩抗磨性能，而喷丸层可有效地阻止裂纹扩展1 3 1。4结束语微动损伤看似非常特殊、狭窄，其实十分普遍。因早期损伤很难被检测到，所以其破坏具有隐蔽性，当发现时有可能已发生灾难性后果。深入研究微动损伤机理，推广基础研究成果在工业中的应用，加强对典型机械构件中的微动损伤研究，合理选材，优化结构设计，并应用系统工程的方法选用合适的表面工程技术，有效提高材料的微动损伤抗力，具有重要的现实意义。参考文献 1 周仲荣，朱曼吴复合微动磨损 M 上海：上海交通大学出版社。2 0 0 4 2 陈跃良，杨茂胜，胡家林飞机结构搭接件微动疲劳研究的关键技术 J 海军航空工程学院学报。2 0 0 8，2 3(4)：3 6 1-3 6 6 3 黄伟九，陈安华，侯滨A M r O B 镁合金在滑移区的微动磨损行为研究 J 武汉理工大学学报，2 0 0 4，2 6(9)：2 3-2 6 4 刘道新，何家文微动疲劳影响因素及钛合金微动疲劳行为 J 航空学报，2 0 0 1，2 2(5)：4 5 4-4 5 7 5 周仲荣微动图在抗微动失效中的应用 J 中国表面工程，1 9 9 8(1)：4 1-4 5 6 卫中山，王珉，张明T C 4 合金微动疲劳行为研究 J 稀有金属材料与工程，2 0 0 6。3 5(7)：4 6 _ 4 8 7 V e n k a t e s hTA，C o n n e rBP，L e eCS A ne x p e r i m e n t a li n v e s f i g a t i o uo ff r e t t i n gf a t i g u ei nT i-6 A I-4 V：t h er o l eo fc o n t a c tc o n d i t i o n sa n dm i c r o s t r u c t u r e J M e t a l l u r g i c a la n dm a t e r i a l st r a n s a c t i o n sA，2 0 0 1，3 25)：1 1 3 1-1 1 4 6 8 u uDx，Z h a n gBQ，T a n gB S h o tp e e n i n ga n ds o l i dl u b r i c a t i n gO i lT i 6 A 1 4 Vk t t i l l gf a t i g u e J R a r em e t a l s，1 9 9 9，1 8(3)：2 2 9 2 3 4 9 C a r t o nJF，V a n n e sAB，V i n c e n tL B a s i so fac o a t i n gc h o i c em e t h o d o l o g y J W e a r，1 9 9 5，1 8 5：4 7-5 7 1 0 Z h o uZR，V i n c e n tL L u b r i c a t i o nb yt h i np o l y s t y r e n ec o a t i n gi nf r e t t i n g J W e a r，1 9 9 9，2 3 1：1 7 9-1 8 4 1 1 张明，王珉。左敦稳T C 4 钛合金微动疲劳特性的研究 J 机械设计与制造，2 0 0 2(1)：1 2 1 3 1 2 卫中山，王珉，张明M o 离子注入提高T C 4 合金微动磨损抗力的研究 J 机械科学与技术，2 0 0 5，2 4(6)：6 7 9-6 8 1 1 3 刘道新，陈华，何家文等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合金抗微动损伤性能 J 材料热处理学报，2 0 0 1，2 2(3)：4 9 5 4 机械与密封